PCB的特性阻抗及控制

印刷电路板（PCB）的特性阻抗与特性阻抗控制

一、前言

直流电通过导线时，会受到一个阻力，这个阻力称为电阻，符合为R，数值单位为“欧姆”（Ω）。

电阻与电流和电压的关系是：R=V/I

另外，电阻还与导体材料的电阻率（β），导线的长度（L），导体的截面积（S）有关。R= β L/S

1、电阻

交流电流流过一个导体时，所受到的阻力称为阻抗（Impedance），符合为Z，单位还是Ω。

此时的阻力同直流电流所遇到的阻力有差别，除了电阻的阻力以外，还有感抗（XL）和容抗（XC）的阻力问题。

为区别直流电的电阻，将交流电所遇到之阻力称为阻抗（Z）。

Z=√ R2 +（XL -XC）2

2、阻抗（Z）

近年来，IC集成度的提高和应用，其信号传输频率和速度越来越高，因而在印制板导线中，信号传输（发射）高到某一定值后，便会受到印制板导线本身的影响，从而导致传输信号的严重失真或完全丧失。这表明，PCB导线所“流通”的“东西”并不是电流，而是方波讯号或脉冲在能量上的传输。

3、特性阻抗控制（Z0 ）

上述此种“讯号”传输时所受到的阻力，另称为“特性阻抗”，代表符号为Z0。

所以，PCB导线上单解决“通”、“断”和“短路”的问题还不够，还要控制导线的特性阻抗问题。就是说，高速传输、高频讯号传输的传输线，在质量上要比传输导线严格得多。不再是“开路/短路”测试过关，或者缺口、毛刺未超过线宽的20%，就能接收。必须要求测定特性阻抗值，这个阻抗也要控制在公差以内，否则，只有报废，不得返工。

二、讯号传播与传输线

1、信号传输线定义

（1）根据电磁波的原理，波长（λ）越短，频率（f）越高。两者的乘积为光速。即C = λ.f ＝3×1010 cm/s

（2）任何元器件，尽管具有很高的信号传输频率，但经过PCB导线传输后，原来很高的传输频率将降下来，或时间延迟了。因此，导线长度越短越好。

（3）提高PCB布线密度或缩短导线尺寸是有利的。但是，随着元件频率的加快，或脉冲周期的缩短，导线长度接近信号波长（速度）的某一范围，此时元件在PCB导线传输时，便会出现明显的“失真”。

（4）IPC－2141的3.4.4提出：当信号在导线中传输时，如果导线长度接近信号波长的1/7时，此时的导线被视为信号传输线。

（5）举例：

某元件信号传输频率（f）为10MHZ ，PCB上导线长度为50cm，是否应考虑特性阻抗控制？

解： C = λ.f ＝3×1010 cm/s

λ＝C/f＝（3 ×1010 cm/s）/（1 ×107 /s ）＝3000cm

导线长度/信号波长＝50/3000＝1/60

因为：1/60<1/7，所以此导线为普通导线，不必考虑特性阻抗问题。

在电磁波理论中，马克斯威尔公式告诉我们：正弦波信号在介质中的传播速度VS 与光速C成正比，而与传输介质的介电常数成反比。

VS ＝C/√εr

当εr ＝1时，信号传输达到了光的传播速度，即3 ×1010 cm/s 。

2、传输速率与介电常数

不同板材在30MHZ 下的信号传输速度

介质材料Tg（°C ）介电常数信号传输速度（m/µs）

真空/ 1.0 300.00

聚四氟乙烯/ 2.2 202.26

热固性聚丙醚210 2.5 189.74

氰酸酯树脂225 3.0 173.21

聚四氟乙烯树脂＋E玻璃布/ 2.6 186.25

氰酸酯树脂＋玻璃布225 3.7 155.96

聚酰亚胺＋玻璃布230 4.5 141.42

石英/ 3.9 151.98

环氧树脂玻璃布130±5 4.7 138.38

铝/ 9.0 100.00

由上表可见，随着介电常数（εr ）的增加，信号在介质材料中的传输速度减小。要获得高的信号传输速度，需采用高的特性阻抗值；高的特性阻抗，必须选用低的介电常数（εr ）材料；聚四氟乙烯（Teflon）的介电常数（εr ）最小，传输速度最快。

FR-4板材，是由环氧树脂和E级玻璃布联合组成，介电常数（εr ）为4.7。信号传输速度为138m/μs。改变树脂体系，可较易改变介电常数（εr ）。

三、特性阻抗值控制缘由

1、缘由一

电子设备（电脑、通信机）操作时，驱动元件（Driver）所发出的信号，将通过PCB传输线到达接收元件（Receiver）。信号在印制板的信号线中传输时，其特性阻抗值Z0 必须与头尾元件的“电子阻抗”能够匹配，信号中的“能量”才会得到完整的传输。

2、缘由二

一旦出现印制板质量不良，Z0 超出公差时，所传的信号会出现反射（Reflection）、散失（Dissipation）、衰减（Attenuation）或延误（Delay）等问题，严重时会传错信号，死机。

3、缘由三

严格选择板材和控制生产流程，多层板上的Z0 才能符合客户所要求的规格。元件的电子阻抗越高时，其传输速度才会越快，因而 PCB的Z0 也要随之提高，方能达到匹配元件的要求。Z0 合格的多层板，才算得上是高速或高频讯号所要求的合格品。

四、特性阻抗ZO 与板材及制程关系

微带线结构的特性阻抗Z0计算公式：Z0 = 87/r +1.41 ln5.98H / （0.8W+T）

其中：εr －介电常数 H－介质厚度 W－导线宽度 T－导线厚度

板材的εr 越低，越容易提高PCB线路的Z0 值，而与高速元件的输出阻抗值匹配。

1、特性阻抗Z0与板材的εr成反比

Z0 随着介质厚度的增加而增大。因此，对Z0 严格的高频线路来说，对覆铜板基材的介质厚度的误差，提出了严格的要求。